Java并发编程-死锁（下）：如何解决死锁

我在上篇文章曾经提到，锁的本质是串行化，如果覆盖的范围太大，会导致程序的性能低下。

为了提升性能，我们用了细粒度锁，但这又带来了死锁问题。

如何解决死锁问题，就是程序员价值所在。

如何规避死锁

说实话，大部分情况下，你不需要考虑死锁问题。因为只有在并发量很大的时候，死锁才会出现。

那该怎么解决呢？很简单，重启应用就行。

然而，问题来了。既然是在高并发场景下，才会出现死锁。那这不就意味着，一旦出现死锁，无论重启多少次，程序也没法运行？

因为只要并发量一大，你就得重启应用，但原来的业务没处理完，现在得接着处理呀。结果就是，等重启完了，并发量再次飙升，死锁再次出现，你又得重启应用。如此循环往复，根本看不到头。

因此，想要解决死锁，唯一可行的办法是：规避死锁，不让死锁出现。

如何规避死锁？这个问题，早在 1971 年，就有位叫 Coffman 的大神提出了解决思路。

死锁的发生要同时满足四个条件。换句话说，我们只要破坏其中一个，就可以避免死锁。这四个条件分别是：

1. 互斥：在同一时刻，一个资源只能由一个线程操作；
2. 占有且等待：线程占有了一个资源，在申请另一个资源的时候，不释放自己占有的资源；
3. 不可抢占：资源被某个线程占有后，其它线程不能强行抢占；
4. 循环等待：线程一占有了一个资源，线程二占有了另一个资源，它们都在等对方的资源。

这四个条件必须同时满足，才会发生死锁。我们只要想办法破坏其中一个，就能避免死锁的出现。

既然如此，该破坏哪个条件呢？

首先，破坏条件一互斥，这是没法做到的，毕竟用锁就是为了互斥。

然后，破坏条件三不可抢占，现在也做不到。因为这需要线程主动释放占有的资源，但synchronized 可做不到这点，得用到 Java 的并发包。所以，我们以后再聊。

那么，方案只剩两个了。

破坏占有且等待条件

所谓占有且等待就是，运行程序需要两个以上的资源，那么线程要把这些资源都拿到手，才有资格运行程序。

然而，线程又不止一个，资源就放在那儿，谁抢到就是谁，就可以一直占着，不释放出去。

这时候，如果线程只抢到了一个资源，没资格运行程序，但又不释放自己的资源，就在那儿干等着。那其它线程怎么办？只能陪你一起等，谁都没法动呗。

这种僵持的局面怎么破？

一次性锁定所有资源，这样就能破坏占有且等待条件。

拿前面的转账来说，它需要锁定两个资源，一个是转出账户，一个是转入账户。如果一次只锁定一个账户，下一个账户又锁定不了，死锁不就出现了。

那这样行不行，我一次性锁定所有账户。

在转账之前，我同时申请两个账户，而且必须同时加锁成功时，才能继续转账操作。

在设计思路上，我们可以把代码分成两块：第一块，是业务员模块，负责具体的转账业务；第二块，是管理员模块，负责资源的审批。你看下这副图：

简单来说，业务员提交申请，账户管理员锁定资源。

比如说，张三想要转账，要锁定账户A、账户B，但账户管理员发现文件架上只有账户A，那张三只能等着，直到账户A、账户B都回来时，才能进行加锁。

思路有了，接下来，我们就转换成代码吧。

class Account {
    private int balance;

    // 转账
    void transfer(Account target, int amt) {
        // 一次性申请资源：转出账户、转入账户，不断循环
        while (!Allocator.getInstance().apply(this, target));

        // 执行转账
        if (this.balance >= amt) {
            this.balance -= amt;
            target.balance += amt;
        }

        // 归还资源：转出账户、转入账户
        Allocator.getInstance().free(this, target);
    }
}

class Allocator {

    // 单例对象，我就不写了，相信你能搞定
    static Allocator getInstance() {
        return null;
    }

    // 资源账本：记录哪些资源不能用
    private Set<Object> alsSet = new HashSet<>();

    // 一次性申请所有资源
    synchronized boolean apply(Object from, Object to) {
        // 查找账本，看看哪些资源不能用
        if (alsSet.contains(from) || alsSet.contains(to)) {
            return false;
        } 
        
        // 借出资源
        alsSet.add(from);
        alsSet.add(to);
        
        return true;
    }
    // 归还资源
    synchronized void free(Object from, Object to) {
        alsSet.remove(from);
        alsSet.remove(to);
    }
}

线程在执行转账前，要通过循环，不断向 Allocator 申请资源。如果申请失败，就继续申请；如果申请成功，就执行转账操作，完事后再把资源还回去。

通过一次性锁定所有资源，我们就能破坏占有且等待条件，成功规避死锁。

不过，这个方案有两点很难接受。

首先，一次性申请资源，这可是一个死循环。在高并发的时候，可能循环上万次才能拿到锁，这太消耗 CPU 资源了。

其次，代码量翻了不止一倍。原本的代码连十行都不到，但现在得新建一个类，还得在里面写各种方法，像是创建单例、申请资源、归还资源什么的，这些想想就头大。

一次性申请资源虽然解决了死锁，但程序性能是硬伤，实现起来也很复杂，我还是看看别的方案吧~

破坏循环等待条件

所谓循环等待就是，运行程序需要两个以上的资源，那么线程要把这些资源都拿到手，才有资格运行程序。

然而，一个线程拿到了其中一个资源，另一个线程拿到了另一个资源，然后它们都在等对方的资源。

别忘了，只有运行完程序，线程才会释放资源。但这两个线程都只拿到一个资源，没法运行程序，那这种等待注定没有结果。你可以看下面这副图：

这种局面又怎么破呢？

按顺序加锁，这样就能破坏循环等待条件。

你有没有发现，在上面这幅图中，两个线程都要要锁定账户A、账户B，但它们的加锁顺序不同。一个线程先锁定账户A，另一个线程先锁定账户B，结果就是它们各自占了一个资源，都在等对方的资源。

既然是加锁顺序的问题，那我们让线程按顺序加锁，问题不就解决了吗？你看这副图：

两个线程的加锁顺序是一样的，都要先锁定账户A，再锁定账户B。如果线程一先锁定了账户A，那线程二只能等着，直到线程一执行完转账，线程二才能再次尝试加锁。

这样一来，循环等待就被破解了。如果再把上面的思路转换成代码，就是这样的。

class Account {
    private int id;
    private int balance;

    void transfer(Account target, int amt) {
        /** 资源进行排序：id 越小，账号就先加锁 **/
        // 默认情况：转出账号的 id 更小，先进行加锁
        Account first = this;
        Account second = target;

        // 如果转出账号的 id 更大，就改变加锁顺序
        if (this.id > target.id) {
            first = target;
            second = this;
        }

        /** 执行转账 **/
        // 锁定序号小的账号
        synchronized (first) {
            // 锁定序号大的账号
            synchronized (second) {
                if (this.balance > amt) {
                    this.balance -= amt;
                    target.balance += amt;
                }
            }
        }
    }
}

每个账号都有一个 id，那么我们先就把 id 作为排序字段，从小到大地排序。然后，我们继续按照顺序，从小到大地锁定账户。

这样一来，就不会出现两个线程各占山头，相互死等对方资源的情况了。

而且，这个方案无论是性能，还是实现难度都非常低。

首先，对资源进行排序，这部分的代码非常简单，不过是加了一个 if 判断，创建了两个对象而已，消耗不了什么资源。

其次，代码量极少。相比原来的代码，现在只是多加了 6 行代码用来排序，其它的基本没变。

这样看来，对转账业务来说，按顺序加锁算是一个低成本、高回报的方案了。

写在最后

想要解决死锁，只能重启应用，但这不一定管用。所以，我们只能在写代码的时候，想办法规避死锁。

一般情况下，有两个办法可以避免死锁：

1. 一次性锁定所有资源；
2. 按顺序加锁；

看到这儿，相信你已经感受到了并发编程的魅力。每一种方案都要付出相应的代价，我们得在正确性、性能、代码复杂度之间，不断地权衡，从中选出合适的方案。